谈述电工学《电工学》课程交流电路教学感受

更新时间:2023-12-22 点赞:14488 浏览:59524 作者:用户投稿原创标记本站原创

摘要:针对交流电路中两个基本知识点的讲授中容易出现的问题进行了粗浅的探讨。首先对描述交流电量的三要素进行介绍,并重点引导学生注意反映正弦量大小的概念(有效值、瞬时值和幅值)和反映正弦量变化进程(相位、初相位和相位差)的概念。其次,对交流电路中的三种功率形式即有功功率、无功功率和视在功率的基本概念、计算方法以及物理意义的讲授思路进行了介绍。从学生反馈信息来看教学效果良好。
关键词:交流电路;三要素;有效值;功率
1674-9324(2013)36-0066-02
一、引言
交流电路是电路原理的主要章节,也是电能应用最重要的应用形式,对后续电子技术以及电机及其控制部分的学习而言,也是必不可少的基础。因此,探讨如何提高交流电路的教学效果,为学生的后续学习打下良好的基础是非常必要的。
本人结合多年来对交流电路的教学经验和体会,介绍对该部分内容进行教学的几点粗浅看法。

二、三要素讲授

交流电路的第一个知识点就是交流量的三要素,如何让学生一开始就建立对交流电路的直观印象对后续内容的学习很关键。在三要素中,学生在大学物理课程中对周期和频率这一要素已经有所理解,相对比较熟悉,但是,对交流量的大小和进程这两个要素的内容比较陌生,因此教学重点应该侧重于这两点。
正弦交流电的电压u、电动势e和电流,常用正弦函数式表示为:u=Umsin(ωt+ψu)e=Emsin(ωt+ψe) (

1.1)i=Imsin(ωt+ψi)

由于正弦交流电路存在着一些直流电路中没有的物理现象,所以分析交流电路要比直流电路复杂许多。为此,我们先介绍正弦量的概念,然后借用相量工具进行分析和计算。

(一)交流量的大小(有效值、瞬时值和幅值)

在对有效值、瞬时值和幅值的介绍中,首先应该结合波形图提出:对交流量而言,波形图中的横坐标为时间或者弧度,表征的是交流量变化的快慢,而纵坐标表征交流量的大小。比如说,我国日常电器的额定电压是220V,提出问题:什么是交流电量的大小呢?这个额定电压是一种什么概念?为什么不是其他的电压数值呢?让学生有所思考。然后,向学生提问:在波形图中220V应该在什么位置,是否有明确的物理意义?这时候,学生也许还没有一个清楚的认识,找不到220V的具体位置和物理含义。如何进一步引导学生深入了解呢?我认为,可以结合教室里的日光灯进行介绍。日光灯的电源是交流电,其工作电压和电流也是按照交流规律进行变化的,只是由于变化频率太快,我们肉眼观察不到其电压和电流的变化。如果通过示波器进行观察,就可以得到正弦规律变化的电压和电流。这种变化的特征是什么呢?从波形图可以发现,电压的数值从最小值变化到最大值,每时每刻的大小都是不一样的,这个不断变化的数值就称为交流量的瞬时值。不过,瞬时值变化太快,不便于数据分析。那么我们该如何比较其大小差异对负载的影响呢?其变化的最大幅度(幅值)是否可以表示呢?这时,可以从电量计费角度引导学生,学生宿舍的电表读数是每月交纳电费的依据,撇开时间因素,电表测量的结果是否就是电压和电流的最大值乘积呢?这时,教师明确表示否定,说明幅值只是一个周期波形中出现的两个瞬时值,不能代表整个电量的周期变化,所以需要引入有效值的概念。
我们日常表示的额定电压额定电流都是指有效值,是根据热效应平衡原理引入的。在T时间内,直流电路产生的热量Q=I2RT,单位是焦耳,其功率P=I2R不随时间变化,交流电路产生的热量与直流电路不同,一个周期T的时间范围内产生的热量为Q=■i■Rdt。如果把两式放在同一个周期T的时间内进行比较,在产生同样热量的前提下,可以用直流电路的电流值来表述交流电量的电流,称直流电路的电流值就是交流电量的有效值。有效值的应用非常广泛,也是电路元件生产制造的重要依据,在一般情况下描述交流量大小的都是指有效值。
这时,还必须强调:表示正弦量大小的三种文字符号也是不同的,例如小写字母表示瞬时值,大写字母表示有效值,大写字母加下表m表示幅值(最大值)。在图形描绘和数据计算中一定要加以区别,否则就可能出现张冠李戴的错误。

(二)正弦量变化的进程(相位、初相位和相位差)

在式(1.1)中,(?棕t+?鬃u)、(?棕t+?鬃e)、(?棕t+?鬃i)都是随时间变化的电角度,称为交流电的相位,它反映了交流电变化的进程。在t=0瞬间的相位,称为初相位,用?鬃表示。在波形图中,?鬃是坐标原点(即?棕t=0)与零值点(即正弦波由负值变为正值所经过的零点)之间的电角度,可正可负,但规定|?鬃|≤π。
i1=I1msin?棕t
i2=I2msin(?棕t+90°) (1.2)
u=Umsin(?棕t-90°)
式(1.2)所示为三个同频率的电流和电压,i1初相?鬃1=0°,i2初相?鬃2=0°,u的初相?鬃3=-90°。
两个同频率正弦量的相位之差即初相位之差,称为相位差,用?渍表示。以式(

1.1)的电压和电流为例,则电压与电流的相位差?渍为

?摇?渍=(?棕t+?鬃u)-(?棕t+?鬃i)=(?鬃u-?鬃i) (1.3)
相位差反映了两个同频率正弦量随时间变化在“步调”上的差别,具体有下列几种情况。
(1)同相。若u和i的初相位?鬃u,?鬃i那么它们的相位差φ=?鬃u-?鬃i=0,这种情况称为同相。
(2)反相。若u和i的相位差?鬃=?鬃u-?鬃i=±π,说明u和i步调相反,这种情况称为反相,式(

1.2)中i2与u的相位差为反相关系。

(3)超前与滞后。若?渍=?鬃u-?鬃i>0,即u与i随时间t变化时,u比i先到达零值点(或正的最大值)。这时称电压u超前电流i一个?渍角,或者称电流滞后电压为?渍角。式(1.2)中i2超前i190°,或者称为i1滞后i290°。学习相位、初相位和相位差的概念时应该先介绍其实际意义。正弦交流量的变化是周期性的,用示波器可以观察到正弦曲线。实际上,在一个交流电路中,各个元件的变化是不完全同步的,尤其对电感和电容这两种储能元件,其摘自:毕业论文答辩流程www.618jyw.com
电压和电流的波形是正交的,即电压到达幅值时电流为零,反之也一样。因此,有必要引入相位和初相位的概念来描述交流电量的波形。我们选择一个交流电量作为参考点,假设其初相位为零,则可以通过波形图的比较确定其他交流电量的初相位。在解析表达式u(t)=Umsin(?棕t+φu)中,?棕t+φu称为相位,φu称为初相位。一旦初相位确定,交流量的波形图起始点就确定。接下来,再结合周期(或频率)和有效值(或幅值)这两个要素,波形图就完全确定了。相位差等于两个交流电量的相位差,也等于两个交流电量的初相位之差。在初相位和相位差的大小方面应该强调其值的标定范围为 |φ|≤π,|?渍|≤π原因是sin(?渍±2π)=sin?渍,cos(?渍±2π)=cos?渍。因此,在波形图或解析表达式中可以用±2π对初相位和相位差进行调整,不会改变交流电量的表现形式。
在实际教学中,刚开始时对交流电路与直流电路的差异概念模糊,结合学生日常生活中常见电器元件如日光灯、电表进行实例分析,学生反映初步建立了正弦交流电路的概念雏形,并且希望能够通过示波器等仪器进行实验观察,教学效果较好。

三、三种交流电路功率的讲授

由于学生在早期学习中仅了解直流电路的功率计算式为P=UI(单位:瓦特),这里,U和I分别不是直流电压和电流值。因此,在交流电路绍三种功率的物理含义非常关键,才能区别其意义与应用。
有功功率是在一个周期内电路元件或部分电路瞬时功率的平均值。对交流电路而言,有功功率是描述电路中电能转换为热能规模的物理量。例如,对电阻元件,有功功率为P=I2RT≠0,表明电阻消耗能量。但是,对电容和电感元件Q=■i■Rdt=0,说明在一个周期内消耗功率为零,这是否意味电容或电感元件不需要电源支持呢?从瞬时时刻来看,电感和电容元件还是需要电源提供电压和电流的,只是从整体效果而言可以消耗能量,因此称为非耗能元件。那么这类储能元件瞬时吸收或者提供功率对电网有影响,又怎么衡量呢?这样,引入了无功功率的概念,定义瞬时功率的最大值为无功功率。无功功率反映了电能转换的规模,为了与有功功率区分,其单位为乏(Var)。
视在功率是针对电源进行定义的,常用电源如变压器或者发电机对交流电路提供能量,其提供的电能在一个周期T内应该等于有功功率P乘周期时间T的数值,但是并不代表在任意瞬时电源功率都等于有功功率P,考虑无功功率的影响,设计电源容量时必须考虑两者因素,合理的电源容量应该为S=■,为与其他两种功率区分,定义量纲单位为伏安(VA)。
最后,提醒学生注意在阅读其他文献或者撰写论文时注意各功率单位的不同含义和规范性。
在实际教学中,学生对无功功率的概念和作用比较模糊,因此介绍了重庆某机械厂设备老化,没有采取补偿措施导致无功功率过大,被电力公司增收电费的例子,学生反映深受启发,为后面功率因素的教学打下了较好的基础。
四、结论
交流电路的知识点非常多,也难以理解。因此,这部分内容的教学非常重要,同时又有很强的挑战性。本文提出的两点体会只是针对其中的两个知识点,即正弦量的三要素和交流电路的三种功率,重点介绍三种功率形式的不同物理含义和计量方式的差异。通过举例、对比分析等方式,使学生初步建立了交流电路的基本认识,为后续知识内容的介绍打下了较好基础,实践教学效果表明学生对这两个知识点内容掌握较好,说明了该教学方法的可行性和有效性。
参考文献:
侯世英,熊兰,李昌春,等.电工学I(电路与电子技术)[M].北京:高等教育出版社,2007.
李昌春,余传祥,徐弟建.电路及电工技术基础[M].重庆大学出版社,2012.
作者简介:彭光金,男,1970.06,湖南隆回,重庆大学电气工程学院,讲师,电工学教学以及电力技术经济研究。
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